(57)【要約】【課題】簡便な作業工程により異種金属からなる一対の中空部材同士を接合して強度を保持することができる中空接合体の製造方法及びその製造装置と、異種金属を強固に接合されてなる中空接合体とを提供する。【解決手段】種類の異なる金属でなる一対の中空部材が突き合わされている状態で、一対の中空部材３１、３２の各突き合わせ端部を２００℃〜４５０℃で加熱し、その後、一対の中空部材３１、３２の各突き合わせ端部にレーザ光の焦点を合わせて照射して溶接する。突き合わせ端に対するレーザ光の照射の際、ビームパラメータ積が１〜３０ｍｍ・ｍｒａｄの範囲とする。レーザ溶接後、一対の中空部材３１、３２における溶接部３３の内周面の段差及び溶接で生じた張り出し部を除去する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
種類の異なる金属でなる二つの中空部材が突き合わされている状態で、該二つの中空部材の突き合わせ端部を２００℃〜４５０℃で加熱し、その後、上記二つの中空部材の突き合わせ端部にレーザ光の焦点を合わせて照射して上記二つの中空部材を溶接する、中空接合体の製造方法。
【請求項２】
前記突き合わせ端部に対してレーザ光を、ビームパラメータ積が１〜３０ｍｍ・ｍｒａｄの範囲で照射する、請求項１に記載の中空接合体の製造方法。
【請求項３】
前記突き合わせ端部を溶接した後、前記二つの中空部材における溶接部の内周面の段差及び／又は溶接で生じた張り出し部を除去する、請求項１に記載の中空接合体の製造方法。
【請求項４】
前記二つの中空部材のうち、一方の中空部材はラックが形成されて焼入れ後の部材であり、他方の中空部材はラックが形成されてない部材である、請求項１に記載の中空接合体の製造方法。
【請求項５】
ラックを有するラック成形部とラックを有さないラック非成形部とが接合されてなり、
上記ラック成形部と上記ラック非成形部との接合部近傍において、硬度極大点と硬度極小点とを有する、中空接合体。
【請求項６】
前記ラック成形部と前記ラック非成形部とは軸方向に中空であり、両者の接合端の内周面は平坦化されている、請求項５に記載の中空接合体。
【請求項７】
第１の中空部材を軸回りに回転可能に保持する第１の支持部と、
上記第１の支持部に対向するように配置され、第２の中空部材を軸回りに回転可能に保持する第２の支持部と、
上記第１の支持部で保持されている第１の中空部材と上記第２の支持部で保持されている第２の中空部材との突き合わせ端部を所定の温度に加熱する加熱部と、
上記第１の支持部で保持されている第１の中空部材と上記第２の支持部で保持されている第２の中空部材との突き合わせ端部に対し、ビームパラメータ積が１〜３０ｍｍ・ｍｒａｄの範囲となるレーザ光を照射するレーザ照射系と、
を備える、接合装置。
【請求項８】
前記加熱部は誘導加熱コイルと高周波発振器とを有し、
前記第１及び第２の支持部の回転軸回りに、上記誘導加熱コイルと上記レーザ照射系による照射領域とが配備されている、請求項７に記載の接合装置。
【請求項９】
前記レーザ照射系には、レーザ光源としてＹＡＧレーザ又はＣＯ２レーザが備えられている、請求項７に記載の接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異種金属の中空部材同士を接合した中空接合体及びその製造方法とその製造の際に用いられる接合装置とに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ステアリングラック軸部材は、ラックが形成されているラック成形部材とラックが形成されていないラック非成形部材とを接合して製造されている。その接合方法には、ＴＩＧ溶接などのアーク溶接、摩擦溶接、突き合わせ抵抗溶接、フラッシュバット溶接がある。その手法の中でも、摩擦溶接、即ち接合する端面同士を回転摩擦した後止めて押し付ける手法が能率、信頼性の面で好ましく、溶接部に生じ得る膨らみ、バリ等の出っ張りが殆どない（例えば特許文献１）。
【０００３】
特許文献２によるステアリング用ラックバーの製造方法では、ラック成形部材とラック成形部材とを溶接する場合、両突き合わせ端部の一方に形成した凸部と他方に形成した凹部とを互いに嵌合させた後にかしめている。
【０００４】
特許文献３では、レーザ溶接を行うに際して溶接部の予熱処理の有無でヒートパタンを比較しており、溶接開始から温度が上昇するまでの勾配は殆ど同じであるが、溶接後の下降勾配が両者で異なり、予熱を施した場合溶接後の温度がゆっくりと下降しマルテンサイト化を防止すると、説明されている。
【０００５】
【特許文献１】特許第３７７２１１０号公報（段落［００２２］）
【特許文献２】特許第３７３９４５０号公報（図４、図５）
【特許文献３】特開２００７−２６３２９９号公報（段落［００５８］〜［００６１］）
【非特許文献１】1225422090203_0.co.jp/technology/qa/part1.html
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
摩擦溶接による接合では、一方の中空部材の融点、硬度の何れかが他方の中空部材のそれと比べて極端に低いと、一方の中空部材の突き合わせ端部が一方的に変形し、所謂バリとなって突出し、他方の中空部材の突き合わせ端部がそのまま一方の中空部材に対する接合面となる。即ち、変形し難い一方の中空部材の突き合わせ端がそのまま初期接合面となる。従って、変形し難い一方の中空部材の端面状況が接合の良し悪しを決める一因となる。他方、変形し易い他方の中空部材の端面状況も接合状況に影響する。摩擦溶接ではバリが摩擦熱で硬くなりＮＣ旋盤加工によりバリ取りが困難な場合もある。従って、中空部材同士を接合する際、中空部材の突き合わせ端部を前処理する必要がある。
【０００７】
ＴＩＧ溶接による接合では、溶接速度が消耗電極式溶接と比較して遅く、生産性が悪い。また、シールドガスである不活性ガスが材料コストを上げるばかりか、ガスシールドアーク特有の風の影響を受け易い。溶接の際に風が存在すると、溶接金属の靭性を低下させるだけでなく、溶接欠陥の発生にも影響する。
【０００８】
抵抗溶接による接合では、溶接が短時間で行うことができ、材料に対して熱の影響を受けにくく良好な溶接部が形成される。しかしながら、抵抗溶接では一対の電極を配置し、しかも電極同士を逆向きに加圧することが必要となる。その場合パイプ状の中空部材同士を突き合わせた状態で一対の電極を配置することが難しい。
【０００９】
レーザ溶接による接合について特許文献３では、溶接部を予熱することで、溶接後の温度がゆっくりと下降しマルテンサイト化を防止することができる点が開示されているに過ぎず、溶接部の強度の改善状況についての詳しい説明はなされていない。
【００１０】
かかる状況に鑑み、本発明は、簡便な作業工程により異種金属からなる一対の中空部材同士を接合して強度を保持することができる中空接合体の製造方法及びその製造装置と、異種金属を強固に接合されてなる中空接合体とを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の中空接合体の製造方法は、種類の異なる金属でなる二つの中空部材が突き合わされている状態で、二つの中空部材の突き合わせ端部を２００℃〜４５０℃で加熱し、その後、二つの中空部材の突き合わせ端部にレーザ光の焦点を合わせて照射して二つの中空部材を溶接する。
特に、突き合わせ端部に対してレーザ光を、ビームパラメータ積が１〜３０ｍｍ・ｍｒａｄの範囲で照射する。
さらに、突き合わせ端部を溶接した後、二つの中空部材における溶接部の内周面の段差及び／又は溶接で生じた張り出し部を除去する。
特に、二つの中空部材のうち、一方の中空部材はラックが形成されて焼入れ後の部材であり、他方の中空部材はラックが形成されてない部材である。
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の中空接合体は、ラックが形成されているラック成形部とラックを有さないラック非成形部とが接合されてなり、ラック成形部とラック非成形部との接合部近傍において、硬度極大点と硬度極小点とを有する。
特に、ラック成形部とラック非成形部とは軸方向に中空であり、両者の接合端の内周面は平坦化されている。
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明の接合装置は、第１の中空部材を軸回りに回転可能に保持する第１の支持部と、第１の支持部に対向するように配置され、第２の中空部材を軸回りに回転可能に保持する第２の支持部と、第１の支持部で保持されている第１の中空部材と上記第２の支持部で保持されている第２の中空部材との突き合わせ端部を所定の温度に加熱する加熱部と、第１の支持部で保持されている第１の中空部材と第２の支持部で保持されている第２の中空部材との突き合わせ端部に対し、ビームパラメータ積が１〜３０ｍｍ・ｍｒａｄの範囲となるレーザ光を照射するレーザ照射系と、を備える。
特に、加熱部は誘導加熱コイルと高周波発振器とを有し、第１及び第２の支持部の回転軸回りに、誘導加熱コイルとレーザ照射系による照射領域とが配備されている。
レーザ照射系には、レーザ光源としてＹＡＧレーザ又はＣＯ２レーザが備えられている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による中空接合体の製造方法によれば、各中空部材の突き合わせ端部がレーザ照射によって溶接される際、各突き合わせ端部がレーザ照射によって溶融し互いに接合されるので、抵抗溶接を採用する場合に必要となる電極が不要であり、電極配置を考慮する必要性もない。各突き合わせ端部をレーザ照射の前に２００〜４５０℃の範囲に予熱するので、レーザ照射周辺の領域で硬さ分布が良好でかつ引張試験で破断面が脆性破壊を生ずることもなく、溶接部分において高い引張り強度が得られる。
【００１５】
本発明による中空接合体によれば、引張強度、曲げ疲労強度などの優れた機械的強度を有する各種パワートレイン系部材を提供することができる。
【００１６】
本発明による接合装置によれば、異種金属からなる第１及び第２の中空部材を互いに突き合わせた状態で第１及び第２の支持部で支持し、中心軸の周りに回転駆動させながら、加熱部で予熱し、光学系によりレーザを照射して突き合わせ端部の溶接を行える。それにより、引張強度が高く且つ曲げ疲労強度に優れた溶接が行なわれ、所定の強度を有する中空接合体を製造することができる。
以上のように、本発明によれば、異種金属から成る中空部材を優れた材料強度で接合することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、中空接合体としてステアリングラック軸体を例に挙げて説明する。なお、これは一例であって他の中空接合体であっても以下説明する実施の形態に従って発明を実施することができる。
【００１８】
（中空接合体としてのステアリングラック軸体の構成）
図１（Ａ）は、本発明の実施形態に係る中空接合体としてのステアリングラック軸体１０を模式的に示す断面図であり、（Ｂ）は接合部１３近傍を示す模式図である。図中の「ＯＵＴ」は外周壁を、「ＩＮ」は内周壁を示す。
中空接合体としてのステアリングラック軸体１０は、ラックが形成されているラック成形部１１と、ラックが形成されていないラック非成形部１２と、が接合されて構成されている。ラック成形部１１の接合部１１ａとラック非成形部１２の接合部１２ａとで接合部１３が形成されている。なお、ラック成形部１１には、円管状の外周面の一方側に複数のラック歯１１ｂが長手方向に設けられている。
【００１９】
ここで、ラック成形部１１の素材となる第１の中空部材と、ラック非成形部１２となる第２の中空部材と、の各素材について言及する。
第１の中空部材のＣ（炭素）含有率は例えば０．１５％〜０．４％前後、特に０．２７％〜０．３８％前後の範囲である。この範囲より大きいとラック歯１１ｂを塑性加工する際の障害となり、この範囲より小さいと強度が低くなるからである。つまり、接合する前のラック成形部１１は、鋼管に塑性加工を施してラック成形し、その後強度補強のための焼入れ処理を施す。よって、第１の中空部材は、鋼管の内部にマンドレルを押し込んで拡管しながら内部から鋼管を盛り上げてラックを形成するため、冷間加工において塑性流動性が良好な素材が求められ、ラックの歯底部位は加工前の鋼管の厚みに比べて薄いため材料強度を大きくする必要がある。第１の中空部材の素材は、冷間加工性、切削性、焼入れ性を確保した上である程度の硬度を有している。換言すれば、第１の中空部材における材料厚みの中心部でも焼入れ組織が確保され、その素材は焼入れ後の強度を高めることができる組成を有している。
第２の中空部材のＣ（炭素）含有率は例えば０．３５％以上、好ましくは０．４％以上がよい。この範囲であれば、ボール螺子の螺子溝の加工が容易に行えるからである。例えば、Ｓ４５Ｃなどを用いることができる。
このように、材料コスト及び加工方法の相違から、第１の中空部材と第２の中空部材とで種類の異なる鋼管を用いることで、優れた材質強度を低コストで提供することができる。
【００２０】
接合部１３は、互いに突き合わせられた第１の中空部材及び第２の中空部材の各突き合わせ端部を後述するようにレーザ照射で溶融して固化して構成され、接合部１３でラック成形部１１とラック非成形部１２とが互いに接合されている。
【００２１】
ここで、本実施形態に係るステアリングラック軸体１０では、ラック成形部１１とラック非成形部１２との接合部１３近傍において、硬度極大点と硬度極小点とを有する。ここで、接合部１３近傍とは、突き合わせ端からラック成形部１１とラック非成形部１２との軸方向に±数ｍｍ、例えば±２〜５ｍｍの範囲である。また、ラック成形部とラック非成形部とは何れの軸方向に中空であり、両者の接合端の内周面は平坦化されている。これらの点は後述の実施例３においてさらに詳説する。
【００２２】
（接合装置の構成）
図２は実施形態である接合装置を模式的に示す正面図であり、図３は中空部材同士を突き合わせた状態での接合装置の機能ブロック図である。
接合装置２０は、部材支持機構とレーザ照射系としてのレーザ照射部２５と加熱部としての誘導加熱部２８とを備える。
【００２３】
＜部材支持機構について＞
部材支持機構は、一方の中空部材３１を回転可能に保持する第１の支持部２１と、他方の中空部材３２を保持する第２の支持部２２と、を対向させ、テーブル装置２９上に配置されて構成されている。第１の支持部２１は、第２の支持部２２と連携し、一方の中空部材３１と他方の中空部材３２とを突き合わせた状態で軸周りに回転可能に支持する。
【００２４】
第１の支持部２１は、テーブル装置２９にスライド可能に支持される支持本体部２１ａと、この支持本体部２１ａの内側に設けたチャック爪２１ｂと、を備える。支持本体部２１ａは駆動モータなどの駆動機構を内蔵する。チャック爪２１ｂは、一方の中空部材３１の突き合わせ端部と反対側の端部を周囲から把持する。
【００２５】
第２の支持部２２は、第１の支持部２１と対向する位置に、テーブル装置２９にスライド可能に配備されている。第２の支持部２２は、テーブル装置２９にスライド可能に支持される支持本体部２２ａと、この支持本体部２２ａから第１の支持部２１側に突出する挿入部２２ｂと、を備える。挿入部２２ｂは、他方の中空部材３２の端部内に嵌入される。支持本体部２２ａのハンドル２２ｃを操作することで、挿入部２２ｂがテーブル装置２９の長手方向に沿って進退する。挿入部２２ｂが第１の支持部２１に向かって移動することで、他方の中空部材３２の端部内に嵌入して他方の中空部材３２を支持する。
【００２６】
ここで、第１の支持部２１及び第２の支持部２２は、中空部材３１及び３２を突き合わした状態で支持すると共に、支持本体部２１ａ内の駆動機構の回転駆動により中空部材３１，３２の軸の周りに回転可能とする。
【００２７】
＜レーザ照射部について＞
レーザ照射部２５は、レーザ発振器２５Ａと光学系２５Ｂとから構成されている。レーザ発振器２５Ａは、所定の波長を有するレーザ光を発振する。光学系２５Ｂは、一方の中空部材３１と他方の中空部材３２との突き合わせ面上にレーザ光を照射する。光学系２５Ｂは例えばミラー２５Ｃと集光ヘッド２５Ｄとで構成される。ミラー２５Ｃは、突き合わせ面の上方に配置され、レーザ発振器２５Ａから水平方向に出力されたレーザ光の進行方向を略垂直下方方向に変換する。集光ヘッド２５Ｄは、突き合わせ面に対するレーザビームの焦点を制御する。なお、光学系２５Ｂの回りには、レーザ発振器２５Ａとミラー２５Ｃとの間で第１の保護管２５Ｅが水平方向に配設され、ミラー２５Ｃと集光ヘッド２５Ｄとの間で第２の保護管２５Ｆが配備されている。第１及び第２の保護管２５Ｅ、２５Ｆは、光経路を外部と遮断して安全性を確保するためである。
【００２８】
レーザ光にはＣＯ２レーザやＹＡＧレーザなどの赤外線レーザを用いるとよい。
ＣＯ２レーザは、ＹＡＧレーザと比べて、エネルギー変換効率が１桁高く生産効率の点で有利である。しかしながら、ＣＯ２レーザ光は、鋼材表面での反射率が高い。しかも、所謂ガウシアンビームで使用すると集光性がよいことから、鋼材表面で入射効率が低下する。よって、レーザ光を突き合わせ部に照射する際にはより高いエネルギーが必要となる。そこで、突き合わせ部にレーザ光を照射する際、レーザビームを釣鐘状、山高帽子状のような高次のマルチモードで使用する。この調整はレーザ発振器２５Ａで行う。これにより、鋼材表面での光吸収性を向上させることができる。
【００２９】
以下、ＣＯ２レーザを高次のマルチモードで使用して光吸収性を向上させることできる理由について詳細に説明する。
レーザ光による加工では、一般に、Ｍ２値とビームパラメータ積で評価されるビーム品質と光学系の焦点径や焦点深度が、溶接加工の特性に影響を及ぼす。図４は、一般的な集光光学系におけるビーム伝播特性を模式的に示す図である。レーザビームはレンズＬで集光すると、図４に示すように、ビームは一旦絞られその後広がる。ビームが最も絞られた位置はビームウェストと呼ばれ図中のｗで示し、ビームの広がりについてはビームの広がり角の半角θで示すのが通常である。ここで、ビーム品質は、ビームパラメータ積ＢＰＰで表現され、次の式１で求められる。
ＢＰＰ＝ｗ×θ＝Ｍ２×λ÷π                                    ・・・（式１）
焦点深度は、ビームウェスト半径ｗに対してビームが√２×ｗまで広がる光軸ｚ方向の距離であり、レイリー長ともよばれる。よって、ビームウェストの位置のビーム径を焦点径（「スポット径」ともいう）ｄ、集光ビームのレイリー長さを焦点深度ｂ、レンズへの入射ビーム径をＤ、焦点距離をｆとすると、
ｄ＝４λｆＭ２／（πＤ）＝（４ｆ／Ｄ）×ＢＰＰ                ・・・（式２）
ｂ＝２πｗ２／（λＭ２）＝２ｗ２／ＢＰＰ＝ｄ２／（２×ＢＰＰ）  ・・・（式３）
となる。
ＣＯ２レーザの場合λ＝１０．６μｍであり、Ｍ2 ＝３．９，ｆ＝２５０ｍｍ，Ｄ＝２４ｍｍとしたとき、上記式１〜式３により、ｄ＝０．５５ｍｍ，ｂ＝１１．５ｍｍ，θ＝１３．２（ｍｍ・ｍｒａｄ）となる。また、レーザ発振器２５ＡのＭ２値が３．９であれば、高次のガウシアンレーザビームが照射されることになる。
【００３０】
ここで、高次のガウシアンレーザビームを使用する理由について言及する。
ＹＡＧレーザは、発振波長１．０６μｍであり近赤外域の光を出力する。この波長の金属反射率は、遠赤外域の光、例えば波長１０.６μｍのＣＯ２レーザのそれと比べて小さい。即ち、ＹＡＧレーザ光はＣＯ２レーザ光と比べ金属に吸収されやすい。よって、金属表面にレーザ光を照射すると、ＹＡＧレーザの方がレーザ光のエネルギーが吸収され、金属表面で局部的に温度が上昇する。
【００３１】
一般に、溶接加工における金属材料の溶融が始まるまでに投入するレーザエネルギーの大小は、加工品質や加工性能に大きく影響する。特に、溶融池が小さい程加工品質が良好になる微小スポット溶接や、箔のような薄板の重ねや突き合わせ溶接においては、できるだけ小さなエネルギーでの加工が好ましい。このため、レーザ光の反射がより少ないＹＡＧレーザによる加工は、金属材料の溶融が始まるまでのエネルギー照射が少なくて済む。これに対し、厚板の深溶込み溶接や高速溶融を目的とする加工対象には大出力発振が可能なＣＯ2 レーザが多く利用されている。
【００３２】
以上の点に鑑み、ＣＯ2 レーザにより金属材を溶接する場合、シングルモード、即ち基本のガウシアンビームのシャープなビームを用いると、レーザ光の反射率が高くなりエネルギーロスが大きくなる。逆に、高次のガウシアンビームを用いると、ビーム形状が釣鐘状や山高帽子状となり、溶接部周辺に対してもレーザ照射によるエネルギー投入を行うことで、溶接部周辺を含む溶接部全体が高品質となる。
【００３３】
ＣＯ２レーザの代わりにＹＡＧレーザを用いても良いことを説明する。
ＹＡＧレーザは波長１．０６μｍ、即ちＣＯ２レーザのそれの約１／１０であることから集光性がよい。鋼材表面でのレーザ吸収率が４０〜５０％であることから、ＣＯ２レーザの場合より約１５％高い。しかも、光ファイバーによる伝送も可能である。
【００３４】
以下、ＹＡＧレーザの代用性について詳説する。
ＣＯ2 レーザの場合、ビームパラメータ積は、レーザ光の出力が変化してもあまり変化がない。例えば最大出力１０ｋＷのＣＯ２レーザでは、実際の使用状態での出力５ｋＷでも、さらに低い数百Ｗでも、ビームパラメータ積は１３．２ｍｍ・ｍｒａｄで殆ど変化がない。ところが、ＹＡＧレーザの場合、１００Ｗ以下ではビームパラメータ積は小さく安定しているが、溶接に使用するような大出力、例えば１ｋＷ以上では、ビームパラメータ積は約２８ｍｍ・ｍｒａｄとなるので集光性が悪化する（非特許文献１）。しかしながら、ＹＡＧレーザの波長はＣＯ2 レーザのそれと比べて１／１０であるので、依然としてＹＡＧレーザの方が有利である。また、式３からビームパラメータ積が大きくなると焦点深度ｂは小さくなり、集光点と接合部１３の位置合わせが難しくなる。その反面、ＣＯ２レーザを用いた場合にはない次のようなメリットがある。第１のメリットとして、ＹＡＧレーザの場合レーザ光を光ファィバーにより突き合わせ部近傍まで容易に導くことができる。第２のメリットとして、金属材料に対するＹＡＧレーザ光の吸収率が４０〜５０％であり、金属材料に対するＣＯ２のレーザ光の吸収率が１５％であることから、両者を比較すると、ＹＡＧレーザ光の方がＣＯ２レーザ光より吸収率が大きい。よって、反射のより少ないＹＡＧレーザによる溶接は、金属材料の溶融が始まるまでの照射エネルギーが少なくて済む。
【００３５】
以上のことから、レーザ発振器２５Ａとして集光性の良好なＣＯ２レーザを用いた場合、ビームパラメータ積は１〜２ｍｍ・ｍｒａｄとすることができ、一方、レーザ発振器としてＹＡＧレーザを用いた場合、ビームパラメータ積は、３０ｍｍ・ｍｒａｄ以下とすることができる。よって、ビームパラメータ積は、１ｍｍ・ｍｒａｄ以上３０ｍｍ・ｍｒａｄ以下とすることができる。
【００３６】
レーザ照射部２５は、集光ヘッド２５Ｄにより、図５に示すように中空部材３１と中空部材３２の突き合わせ端部の内周面付近でレーザ光のスポット径が最小となるようレーザ光を照射する。
【００３７】
誘導加熱部２８は、図３に示すように、高周波発振器２８Ａと接合器（図示せず）と誘導加熱コイル２８Ｂとを含んでいる。誘導加熱コイル２８Ｂは、中空部材３１、３２同士の突き合わせ端部周りに所定距離隔離して配備される。誘導加熱コイル２８Ｂに整合器（図示せず）を介在させて高周波発振器２８Ａが接続されている。高周波発振器２８Ａから高周波電力が誘導加熱コイル２８Ｂに対して投入され、突き合わせ端部を誘導加熱する。誘導加熱コイル２８Ｂは、円筒形状ではなく略半円弧となっており、第１の中空部材３１と第２の中空部材３２との突き合せ端部の一部を覆っている。
【００３８】
ここで、誘導加熱コイル２８Ｂは、第１の中空部材３１及び第２の中空部材３２の突き合せ端部へのレーザ照射と干渉しないよう突き合せ端部外周に配置される。レーザ照射部２５が第１の中空部材３１及び第２の中空部材３２の突き合わせ端部のうち上部（「レーザ照射領域」という。）にレーザ光を照射し、第２の中空部材３２は図３に矢印で示す向きに駆動機構により回転するため、誘導加熱コイル２８Ｂはレーザ照射領域を第２の中空部材３２の逆回転周りに所定角度、図では略９０度回転させた位置にその中央部が配置される。よって、第１の中空部材３１及び第２の中空部材３２の突き合わせ端部表面は回転駆動により図３の矢印の向きに回転するため、突き合せ端部の一部を、誘導加熱コイル２８Ｂで誘導加熱し、続けて誘導加レーザ照射でレーザ加熱することができる。もちろん、第１の中空部材３１及び第２の中空部材３２の突き合わせ端部表面を回転させることで、先ず、誘導加熱部２８により突き合わせ端部全周を誘導加熱し、その後、レーザ照射により突き合わせ端部全周をレーザ照射により溶接することもできる。何れの場合でも、第１の中空部材３１及び第２の中空部材３２の突き合わせ端部が事前に誘導加熱部２８で予熱され、レーザ溶接の際割れが効果的に防止される。
【００３９】
（接合方法）
前述の接合装置２０を用いて第１の中空部材３１と第２の中空部材３２とを接合する方法を説明しながら、本発明の実施形態に係る接合方法について説明する。
図６は、本発明の実施形態に係る製造方法の手順を模式的に示す断面図であり、第１の中空部材３１と第２の中空部材３２とが突き合わされた状態でどのように接合されるかを模式的に示している。図中の「ＯＵＴ」は外周壁を、「ＩＮ」は内周壁を示す。
製造方法の流れは以下の通りである。
第１ステップとして、接合すべき、第１の中空部材３１と第２の中空部材３２とを用意する。
第２ステップとして、接合装置２０に対して第１の中空部材３１と第２の中空部材３２とをセットする。即ち、第１の中空部材３１を第１の支持部２１にセットし、第２の中空部材３２を第２の支持部２２にセットし、第１の中空部材３１に対して第２の中空部材３２を突き合わせる。
第３ステップとして、第１の中空部材３１と第２の中空部材３２とを突き合わせた状態で、誘導加熱部２８で各突き合わせ端部を誘導加熱して所定の温度まで加熱することで予熱する。その際、回転機構により第１の中空部材３１及び第２の中空部材３２を軸回りに回して各突き合わせ端部を周状に加熱する。
第４ステップとして、第１の中空部材３１と第２の中空部材３２とを突き合わせた状態で、回転機構により第１の中空部材３１及び第２の中空部材３２を軸回りに回転させながらレーザ照射部２５で突き合わせ端にレーザ光１を照射し（図６（Ａ））、突き合わせ端部をレーザ溶接する（図６（Ｂ））。第４ステップでのレーザ照射は、第３のステップによる予熱の温度が保たれる間に行う。
第５ステップとして、第１の中空部材３１と第２の中空部材３２との溶接部３３周りは軟化した溶接熱影響部（ＨＡＺ：Heat Affect Zone）３１Ａ、３２Ａとなる。この溶接熱影響部３１Ａ、３２Ａと溶接部３３との段差は破壊起点となるため、溶接部３３の内周面における破壊起点となる段差やバリなどの張り出し部を旋盤等により切削加工する（図６（Ｃ））。
【００４０】
ここで、第３ステップで行われる予熱処理における温度設定について述べる。
第１の中空部材３１と第２の中空部材３２との突き合わせ端部の外周表面の温度は、２００℃〜４５０℃の範囲で加熱されるとよい。この温度範囲より高く昇温すると、レーザ照射により軟化する範囲が広くなり、レーザ溶接後硬度が低くなる部分がレーザ照射中心部の外側に存在するからである。特に何れか一方の中空部材にボールネジ部が形成されている場合、強度不足等の悪影響を及ぼす可能性がある。一方この温度範囲より低いと、引張強度が低くなる。つまり、この温度範囲以外では、引張強度が低くなり、破断面の良好性が悪くなる。
さらに好ましい温度の最適範囲は、後に図１１を参照して詳細に説明するように、２５０℃≦ｔ≦４００℃である。この範囲では、引っ張り強度が９４５ＭＰａ以上となり、十分な強度が得られる。
【００４１】
中炭素鋼のレーザ溶接時に予め母材である溶接部へ予熱を加えることで割れ防止の効果がある。予熱を与えないでレーザ溶接を行なうと、溶接部で大気中や材料中の水分が鋼中に浸入し、水素の拡散及び集積により水素脆化が生じる。予熱を行ってレーザ溶接を行うことで、ＨＡＺ（Heat Affect Zone）の硬化を防止し、冷却速度が遅くなる。よって、溶接部における拡散水素の集積を減少させ、低温割れを防止することができる。
【００４２】
ここで、第５ステップでの溶接部３３の内周壁の段差や張り出し部を除去する処理について説明する。第１の中空部材３１及び第２の中空部材３２の加工精度や接合精度を高めることで、第１の中空部材３１と第２の中空部材３２との軸方向のズレを解消することは可能である。しかしながら、それらの精度を高めても、作業工程上、内周壁に段差やバリなどの張り出し部が生じうる。この内径差によって段差や張り出し部３４などが破壊起点となり、繰り返し荷重下で応力が集中して曲げ破壊強度が低下し、破断する可能性がある。そこで、可及的に段差や張り出し部３４を除去することで、曲げ破壊強度の低下を抑制することができる。
【００４３】
本発明の一実施形態として、中空接合体としてのステアリングラック軸体の製造方法について説明する。ラック成形部１１とラック非成形部１２とをレーザ接合してステアリングラック軸体１０を製造する。
ラック成形部１１の作製は、鋼管を素材として塑性加工により行う。
図７は、ラック成形部１１を作製する第１ステップの様子を模式的に示し、（Ａ）は縦断面図であり、（Ｂ）は横断面図である。図８はラック成形部１１を作製する第２のステップの工程を模式的に示す縦断面図である。
図７に示すように、上下一対の割型４０，４１に鋼管４５を収容する。その際、上下一対の割型４０，４１により鋼管４５の全周が取り囲まれる。割型は上型４１と下型４０を合わせた状態において、鋼管４５の加工すべき部分に対応した箇所には、貫通した縦穴４２が形成されている。図示する場合では上型４１に縦穴４２が形成されている。この状態で縦穴４２にポンチ４３を挿入し、鋼管４５の当該部分をポンチ４３により押圧する。これにより、鋼管４５の当該部位を平面にする。この平面は、鋼管４５のうち少なくとも一端を含まない部分である。この一端は後にラック非成形部１２と接続される。
次に、図８に示すように、図７に示す割型とは異なる上下一対の割型５０、５１に、平面が形成された鋼管４６を収容する。この上下一対の割型５０，５１の一方、図示の場合では上型５１の下型面側に窪み５１ａが形成され、その窪み５１ａにラック成形型５２が収容されている。上下一対の割型５０、５１は合わされた状態で一端にはマンドレルガイド部材５３が取り付けられ、このマンドレルガイド部材５３には貫通穴が設けられている。鋼管４６を上下一対の割型に収容した状態で、図８に示すように、マンドレル５４をマンドレルガイド部材５３の貫通穴に挿入し、鋼管４６の中空内に挿入し、鋼管４６で平面が形成されている部位をしごいて中空側から素材を盛り上げ、ラック成形型５２の型面に従ってラックを形成する。その際、少しずつ寸法の異なるマンドレル５４を使用して複数回のストロークにより加工を行なうことになるが、全長の複数箇所に突起を有するマンドレルを用いればストローク数を減らすことができる。また複数のマンドレルは片側から行うのが好ましい。これらの塑性加工は何れも冷間で行われる。なお、ラック成形型５２の部分は上側の割型５０と一体にしても原理的に差し支えないが、大きな力を受けるため比較的寿命が短いので、ラック成形型５２の部分だけ独立させて割型５０に取り付けて使用することが好ましい。
その後、鋼管を所定の長さに切断し、塑性加工が施された部位を焼き入れし所定の強度を確保する。
【００４４】
一方、ラック非成形部１２の部品の作製に際しては、鋼管を所定の寸法にカットすると共に、カット前後において必要に応じて外周に螺子溝を形成すればよい。このようにして作製したラック成形部１１とラック非成形部１２の各部品を、前述した接合方法によりレーザ溶接することで、図１に示すステアリングラック軸体１０を作製することができる。
以下、実施例を説明しながら、本発明の実施形態を補足して説明する。
【実施例１】
【００４５】
ラック成形部となる第１の中空部材の素材としてＳＭｎ４３３、非ラック成形部となる第２の中空部材の素材としてＡＩＳＩ４１５０を採用した。ＳＭｎ４３３は、化学成分として重量パーセント表示で、Ｃが０．３０〜０．３６、Ｓｉが０．１５〜０．３５、Ｍｎが１．２０〜１．５０、Ｐが０．０３０以下、Ｓが０．０３０以下含まれる中炭素鋼である。ＡＩＳＩ４１５０は、化学成分として重量パーセント表示で、Ｃが０．４８〜０．５３、Ｓｉが０．１５〜０．３５、Ｍｎが０．７５〜１．００、Ｐが０．０３５以下、Ｓが０．０４０以下含まれる中炭素鋼である。
【００４６】
高周波発振器２８Ａのインバータの出力調整で、第１の中空部材３１と第２の中空部材３２の突き合わせ端部の目標温度まで１０秒間で昇温し、その後１０秒間保持した。目標温度は３００℃、４００℃、４５０℃、５００℃、５５０℃、６００℃、７００℃の計７種に選定した。
その後、それぞれの目標温度に予熱して第１の中空部材３１と第２の中空部材３２の突き合わせ端部をレーザ溶接した。レーザ溶接の条件は、レーザ出力を４〜６ｋＷとし、ビーム径を０．５〜１．０ｍｍとし、溶接速度１５００〜２０００ｍｍ／分とし、シールドガスとして流量３０Ｌ／分のヘリウムを使用した。
その後、第１の中空部材３１と第２の中空部材３２との接合面を基準位置とし、第１の中空部材側を＋，第２の中空部材側を−として、外周表面から深さ０．５ｍｍの位置で、軸方向±１３ｍｍの測定範囲で１ｍｍおきに硬さを測定した。なお、−１．５〜１．５ｍｍの範囲は０．２５ｍｍおきに硬さを測定した。以下、測定位置をｚで示すことにする。
【００４７】
図９は、実施例１に関し、予熱温度が３００℃としたときの硬さ分布を示すグラフである。横軸は測定位置（ｍｍ）であり、縦軸は硬さ（Ｈｖ）である。図９から分かるように、ｚ＝１ｍｍの位置で硬さが極大となり、その両側において上に凸の減少曲線となり、ｚ＝−１．５ｍｍ及びｚ＝２ｍｍの各位置で硬さが極小となり、測定位置ｚがレーザ照射中心部からさらに離れるに従い上に凸の増加曲線を描く。硬さの極大値は、−１３≦ｚ（ｍｍ）≦１３の測定範囲では最大値でもあった。即ち、レーザ照射位置近傍で極大かつ最大となる硬さを有し、レーザ照射位置から所定の範囲、即ち−２≦ｚ（ｍｍ）≦２の範囲で極小となる部分が左右ほぼ対称に生じていることが分かった。
【００４８】
【表１】
2010105037.tif 000003
【００４９】
表１は、予熱温度をパラメータとしたとき各測定位置での硬さを示す図表である。
予熱温度が４００℃、４５０℃、５００℃では、図９と同様ほぼ同様の硬さ分布を得ている。即ち、レーザ溶射位置近傍で硬さが極大かつ最大となり、−２ｍｍ≦ｚ≦２ｍｍの範囲内において極大となる部分を挟んで硬さが極小となる部分が存在している。ところが、予熱温度が５５０℃、６００℃では、硬さが極小となる部分が｜ｚ｜＞２ｍｍとなった。予熱温度が７００℃では、硬さが極小となる部分が｜ｚ｜＞２ｍｍとなるばかりか、分布状況も大きく異なった。図１０は、実施例１に関し、硬さが極小となる位置と予熱温度との関係を示すグラフである。横軸は予熱温度（℃）であり、縦軸は硬さが極小となる位置ｚ（ｍｍ）である。
図１０から、予熱温度が５００℃以下では、硬さが極小となる位置ｚは−２ｍｍ≦ｚ≦２ｍｍであるが、予熱温度がそれを超えると硬さが極小となる位置ｚがその範囲、即ち、−２≦ｚ≦２ｍｍを超えてしまう。硬さが低下している部分がレーザ照射中心部の外側に離れて存在すると、特に何れか一方の中空部材にボールネジ部が形成されている場合、強度不足等の悪影響を及ぼす可能性がある。よって、レーザ照射中心部の周辺が最低硬度となるような予熱は好ましくない。予熱温度が５００℃以下では硬さが極小となる位置ｚが±２ｍｍの範囲内であった。従って、予熱の最適温度ｔ１は、５００℃以下が好ましいことが分かった。これにより予熱の最適温度の上限が確定されるといえる。
【実施例２】
【００５０】
次に溶接後引張試験を行って最適な予熱温度の範囲について検討した。
サンプルは、実施例１と同様の要領で、目標温度をそれぞれ２００℃，３５０℃，５００℃に設定して予熱処理を行った後にレーザ溶接を行って作製した。また比較のために予熱処理なしにレーザ溶接を行って作製した。
なお、第１の中空部材及び第２の中空部材は、何れもＳＴＫＭ１７Ｃの場合即ち同材の場合と、ＳＴＫＭ１７ＣとＳＭｎ４３３の場合即ち異材の場合の双方を行っている。ＳＣ４５Ｃは、化学成分として重量パーセント表示で、Ｃが０．４２〜０．４８、Ｓｉが０．１５〜０．３５、Ｍｎが０．６０〜０．９０、Ｐが０．０３５以下、Ｓが０．３５以下含まれる中炭素鋼である。ＳＭｎ４３３は、化学成分として重量パーセント表示で、Ｃが０．３０〜０．３６、Ｓｉが０．１５〜０．３５、Ｍｎが１．２０〜１．５０、Ｐが０．０３０以下、Ｓが０．０３０以下含まれる中炭素鋼である。
【００５１】
図１１は実施例２に関して予熱処理と引張強度の関係を示すグラフである。
図１１から、予熱なしでは引張強度にバラツキが生じ、かつ引張強度が平均約６００ＭＰａと低い。予熱処理ありの場合と比較すると予熱が必要であることが分かる。
予熱温度が２００℃では、引張強度が１０００ＭＰａ以上と高い値になっているものの、予熱なしの場合と予熱温度が２００℃の場合では、破断面状態が比較的似ており、予熱温度をより高くした方が引張強度を向上させることができることが判明した。
予熱温度が３５０℃では、破断面が比較的滑らかであり、良好な破断面を有していることが分かった。
予熱温度５００℃では、破断面が脆性破壊を起こしていることが分かった。
【００５２】
予熱処理と引張強度との関係及び破断面の様子から、適正な予熱温度ｔ２（℃）は、２００℃≦ｔ２≦４５０℃の範囲が好ましいことが判った。さらに、引張強度と破断面の良好性を考慮すると最適な予熱温度は３５０℃と推測され、予熱温度ｔのさらなる最適な温度範囲は、２５０℃≦ｔ≦４００℃と判断される。ここで、予熱温度のさらなる最適な温度範囲は、図１１のグラフを元に、２００℃の場合の引張強度が１０５０ＭＰａの１０％減である９４５ＭＰａ以上の引張強度とした。
【００５３】
実施例１及び実施例２の結果から、予熱温度は、２００℃≦ｔ≦４５０℃の範囲が好ましく、さらなる最適な範囲は、３５０℃を最適値として２５０℃≦ｔ≦４００℃の範囲であることが分かった。
【実施例３】
【００５４】
繰り返し荷重に対する溶接部の曲げ疲労強度試験を行った。
本発明者らは、その際、突き合わせ部にパイプの内径差が生じ、このギャップが疲労強度に影響を与えることを突き止めた。ギャップが生じる理由としては幾つか考えられるところ、突き合わせる中空部材同士の加工精度、溶接時における軸センターのずれが考えられる。そこで、接合条件として複数設定した。
第１の中空部材の素材としてＳＭｎ４３３、第２の中空部材の素材としてＳ４５Ｃを採用した。ＳＭｎ４３３は、化学成分として重量パーセント表示で、Ｃが０．３０〜０．３６、Ｓｉが０．１５〜０．３５、Ｍｎが１．２０〜１．５０、Ｐが０．０３０以下、Ｓが０．０３０以下含まれる中炭素鋼である。Ｓ４５Ｃは、化学成分として重量パーセント表示で、Ｃが０．４２〜０．４８、Ｓｉが０．１５〜０．３５、Ｍｎが０．６０〜０．９０、Ｐが０．０３０以下、Ｓが０．０３５以下含まれる中炭素鋼である。
【００５５】
サンプルＡでは、予熱なしでレーザ溶接を行い、内外の表面切削を施さなかった。
サンプルＢでは、実施例１と同じ要領で、予熱温度を３５０℃として予熱処理を行って、レーザ溶接後、内外の表面切削を施さなかった。
サンプルＣでは、実施例１と同じ要領で、予熱温度を３５０℃として予熱処理を行って、レーザ溶接後、接合部の外周面に対し表面粗さＲａが約６．１となるまで表面切削を施した。
サンプルＤとして、実施例１と同じ要領で、予熱温度を３５０℃として予熱処理を行って、レーザ溶接後、接合部の内周面に対しＲａが約６．１となるまで表面切削を施した。
【００５６】
各接合条件下で作製した複数のサンプルに対し曲げ疲労試験を行った。曲げ疲労試験には、株式会社東京衡機製造所の３０ｔｏｎ引張疲労試験機を用いた。試験条件は片振曲げ疲労試験とし、制御波形は正弦波形とし、負荷荷重を上限２８〜２０ｋＮ、下限２ｋＮとし、試験周波数を８．１３ｋＨｚとした。
【００５７】
図１２は、実施例３のうちサンプルＡ、サンプルＢ及びサンプルＣについての破断寿命と応力振幅との関係を示すＳ−Ｎ曲線を示すグラフである。横軸は破談寿命（回）であり、縦軸は応力振幅（ＭＰａ）である。◇プロットはサンプルＡ、□プロットはサンプルＢ，▲プロットはサンプルＣを示す。
図１２から分かるように、サンプルＡとサンプルＢ及びサンプルＣとを比較すると、予熱処理を行うことで予熱処理を行わなかった場合と比べ破断寿命が延びている。しかしながら、サンプルＢとサンプルＣとではＳ−Ｎ曲線はほぼ同じであり、表面切削の効果は殆ど見られなかった。
【００５８】
図１３は、実施例３のうちサンプルＢ及びサンプルＤについての破断寿命と応力振幅との関係を示すＳ−Ｎ曲線を示すグラフである。□プロットはサンプルＢ、▲プロットはサンプルＤを示している。横軸は破談寿命（回）で、縦軸は応力振幅（ＭＰａ）である。
図１３からサンプルＤをサンプルＢと比較すると、内周面切削を行ったサンプルＤの方が、応力振幅で３５％程度向上していることが分かる。
【００５９】
以上の結果から、次のことが分かった。図６（Ｂ）を再度参照して説明すると、第１の中空部材３１と第２の中空部材３２の突き合わせ時のセンターずれや内径差によって破壊起点となる段差や張り出し部３４が生ずることがある。この破壊起点は、繰返し荷重下で応力が集中して、曲げ破壊強度が低下し、破断する可能性がある。このため、このようなセンターずれや段差等による破壊起点は、できるだけ小さく管理する必要があり、第１の中空部材３１及び第２の中空部材３２の加工精度や接合精度を高めることにより、ある程度は破壊起点の発生を抑止することができる。さらに、破壊起点の発生を完全に抑止することは困難であるので、溶接部の内周面における破壊起点となる段差や出っ張り部を旋盤等により切削加工することが好ましい。
【００６０】
以上述べたように、本発明によれば、簡単な構成により、低コストで、異種金属から成る軸状または中空の部材を優れた材料強度で接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】（Ａ）は、実施形態に係る中空接合体としてのステアリングラック軸体１０を模式的に示す断面図であり、（Ｂ）は接合部１３近傍を示す模式図である。
【図２】実施形態である接合装置を模式的に示す正面図である。
【図３】中空部材同士を突き合わせた状態での接合装置の機能ブロック図である。
【図４】レーザ光伝播を説明するための説明図である。
【図５】中空部材同士を突き合わせてレーザ光を照射する様子を模式的に示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係る接合方法の手順を模式的に示す断面図である。
【図７】ラック成形部を作製する第１ステップの様子を模式的に示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は横断面図である。
【図８】ラック成形部を作製する第２のステップの工程を模式的に示す縦断面図である。
【図９】実施例１に関し、予熱温度が３００℃のときの硬度分布を示すグラフである。
【図１０】実施例１に関し、硬さが極小となる位置と予熱温度との関係を示すグラフである。
【図１１】実施例２に関して予熱処理と引張強度の関係を示すグラフである。
【図１２】実施例３のうちサンプルＡ、サンプルＢ及びサンプルＣについての破断寿命と応力振幅との関係を示すＳ−Ｎ曲線を示すグラフである。
【図１３】実施例３のうちサンプルＢ及びサンプルＤについての破断寿命と応力振幅との関係を示すＳ−Ｎ曲線を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６２】
１    ：レーザ光
１０  ：ステアリングラック軸体
１１  ：ラック成形部
１１ａ：接合部
１１ｂ：ラック歯
１２  ：ラック非成形部
１２ａ：接合部
１３  ：接合部
２０  ：接合装置
２１  ：第１の支持部
２１ａ：支持本体部
２１ｂ：チャック爪
２２  ：第２の支持部
２２ａ：支持本体部
２２ｂ：挿入部
２２ｃ：ハンドル
２５  ：レーザ照射部
２５Ａ：レーザ発振器
２５Ｂ：光学系
２５Ｃ：ミラー
２５Ｄ：集光ヘッド
２５Ｅ：第１の保護管
２５Ｆ：第２の保護管
２８  ：誘導加熱部
２８Ａ：高周波発振器
２８Ｂ：誘導加熱コイル
２９  ：テーブル装置
３１  ：第１の中空部材
３１Ａ：溶接熱影響部
３２  ：第２の中空部材
３３  ：溶接部
３４  ：張り出し部
４０，４１，５０，５１：割型（上型、下型）
４２：縦穴
４３：ポンチ
４５，４６：鋼管
５１ａ：窪み
５２：ラック成形型
５３：マンドレルガイド部材
５４：マンドレル
【図１】
2010105037.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2010105037.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
2010105037.tif 000014
【図１２】
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【図１３】
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